綜 合 化 學 實 驗 教 學 改 革 探 討

章文偉, 張 暉, 奚忠華, 孔璇鳳

(南京大學 化學化工學院，化學國家級實驗教學示范中心，南京 210023)

0 引 言

戴安邦先生指出：“全面的科學教育要求教學既傳授知識和技術(shù)，更訓練科學思維和方法， 還培養(yǎng)科學精神和品德?；瘜W實驗課是實施全面化學教育的一種最有效的教學形式”[1]。為了克服專業(yè)劃分過細、學生知識面較窄、實驗技能培養(yǎng)單一的不足，1997年化學化工學院率先在全國高校中開設(shè)綜合化學實驗課程，并在后續(xù)的教學改革過程中，針對課程內(nèi)容、知識結(jié)構(gòu)、教學模式等方面進行了一系列有益的探索[2-11]，以契合戴先生的全面化學教育理念，培養(yǎng)更加全面的“化學人”，促進學生知識、能力和素質(zhì)的全面培養(yǎng)和提高。近幾年，隨著學科的不斷發(fā)展和學?！叭啤北究平虒W改革的不斷深入，綜合化學實驗不僅更加重視在化學一級學科層面上組織教學內(nèi)容，全面提升學術(shù)專業(yè)類實驗項目建設(shè)，以促進學生專業(yè)實踐能力的提高；同時還結(jié)合不同學科前沿和社會實際需求，不斷促進學科間的交叉融合，著重加強了交叉復合類和就業(yè)創(chuàng)業(yè)類實驗項目建設(shè)，以培養(yǎng)學生多學科跨界實踐能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，全面提升學生各方面的綜合素質(zhì)，在本科教學、科學研究、以及學生的就業(yè)創(chuàng)業(yè)之間構(gòu)架起了良好的紐帶與橋梁的作用。本文將著重從近年來綜合化學實驗教學內(nèi)容的變遷來探討課程的改革之路。

1 綜合化學實驗課程改革

1.1 課程內(nèi)容變遷

綜合化學實驗課程的內(nèi)容設(shè)置自開課以來一直遵循以下原則：著眼于反映學科的前沿領(lǐng)域及發(fā)展趨勢，鞏固和加深對基礎(chǔ)理論的理解及基本技能的融會貫通，了解并掌握不同學科的新知識點以及相關(guān)的研究方法和實驗技術(shù)，拓展學生的視野[2]。在課程開設(shè)初期，以部分單元實驗和小型綜合實驗為主[12]，通過單元實驗教授學生在基礎(chǔ)實驗教學中未涉及的知識點和技能點，如：“孔性物質(zhì)吸附等溫線的測定”“連續(xù)流動色譜法測定固體比表面積”“VO(acac)2配合物的ESR譜測定”“氧化還原體系引發(fā)苯乙烯乳液聚合”等；通過小型綜合實驗將基礎(chǔ)理論和實驗技能加以綜合并使學生能夠融會貫通，培養(yǎng)學生綜合運用知識分析問題和解決問題的能力，如：“二茂鐵的合成”“分子篩的制備及其物性測定”“固體超強堿的制備及其性質(zhì)測定”“反-[Co(en)2Cl2]3[Fe(C2O4)3]·4.5H2O配合物的制備及其性質(zhì)測定”“環(huán)氧樹脂的制備”“丙烯酸的沉淀聚合及其分子量分布表征”等；同時，也會隨著學科的發(fā)展，不斷開發(fā)和引進一些反映學科前沿的新實驗[7]，如：“硫醇自組裝動力學的測定”“常壓非均相催化氫化反應：藥物Balsalazide的合成”“Bi系超導材料的制備與單晶的生長”“核酸酶酶解-高效液相色譜法分析DNA組成”等，將自組裝、常壓催化加氫、超導材料制備、DNA分離和鑒定等新的實驗技術(shù)和方法引入綜合化學實驗教學中來。實驗總課時為二學期。

隨著化學學科的不斷發(fā)展和課程改革的不斷推進，綜合化學實驗教學內(nèi)容向著研究型大綜合的方向演變。特別是自2009年學校提出“三三制”本科教學改革方案[13-14]，即：本科生在大學4年，依次經(jīng)過大類培養(yǎng)、專業(yè)培養(yǎng)和多元培養(yǎng)3個階段，給予學生更多的自主選擇權(quán)；學生可以根據(jù)自己的興趣愛好，選擇學術(shù)專業(yè)、交叉復合和就業(yè)創(chuàng)業(yè)3條不同的途徑作為自己今后的發(fā)展方向，課程內(nèi)容更加注重知識的前沿性、學科間的融合交叉與實驗技術(shù)的綜合應用。不斷將化學生物學、生命分析技術(shù)、材料科學等前沿領(lǐng)域的一些研究成果，通過凝練、改編，移植到綜合化學實驗教學中。手性合成與催化、超分子化學、化學生物學、納米材料等前沿領(lǐng)域在新的實驗內(nèi)容中得以體現(xiàn)。在內(nèi)容選擇上，契合“三三制”本科教學改革方案，按照學術(shù)專業(yè)類、交叉復合類和就業(yè)創(chuàng)業(yè)類進行優(yōu)化設(shè)置。每個實驗盡可能設(shè)計成一個小型的科研項目，學生通過這些實驗，可以得到完整的科研訓練過程。并且，學生還可以根據(jù)自己的興趣愛好和今后的人生發(fā)展規(guī)劃，有目的地自主選擇某一方向的實驗內(nèi)容，提高學習興趣。例如，“二茂鐵衍生物的合成、表征和電化學性質(zhì)測定”“手性Mn(III)Cl-Salen配合物的合成及其催化性能研究”“MCM-41有序介孔分子篩的制備及其表征”等實驗可歸屬于學術(shù)專業(yè)類實驗項目，“質(zhì)粒DNA的制備、鑒定及目標基因的表達”“納米組裝血紅蛋白質(zhì)的直接電化學和催化研究”“主鏈型超分子液晶聚合物的組裝合成及其液晶相行為研究”等實驗可歸屬于交叉復合類實驗項目；“天然高分子改性絮凝劑研究”“聚氨酯的合成及其功能化”則可歸屬于就業(yè)創(chuàng)業(yè)類實驗項目。這些新實驗的設(shè)置，使高年級本科生能了解化學學科發(fā)展的前沿動態(tài)，并可根據(jù)自己的興趣愛好和性格特點，及早進行人生職業(yè)規(guī)劃。因此盡管實驗總課時被縮短至一學期，但學生在實驗的綜合性方面得到的培養(yǎng)和訓練卻進一步提升，且契合“三三制”人才培養(yǎng)目標，有利于“三三制”人才培養(yǎng)。

1.2 課程改革舉措

1.2.1 提升實驗的綜合性

綜合化學實驗課程開設(shè)的所有實驗項目都要求具有較強的綜合性，能夠綜合應用多種實驗技術(shù)和方法，集合成、分離、結(jié)構(gòu)表征、理化性能測試及性質(zhì)分析為一體，強調(diào)學生知識和技能的綜合運用及融會貫通。以“二茂鐵衍生物的合成、表征和電化學性質(zhì)測定”實驗為例，這是一個典型的化學學術(shù)專業(yè)類實驗項目。該實驗貫穿合成—結(jié)構(gòu)表征—性能測試的主線，學生可以系統(tǒng)地學習惰性氣氛合成技術(shù)(基礎(chǔ)實驗教學中很少涉及)、強化重結(jié)晶/TLC/柱色譜分離技術(shù)，并運用紅外/紫外/核磁等譜學技術(shù)和電化學分析方法對中間產(chǎn)品和最終產(chǎn)物進行結(jié)構(gòu)表征和氧化還原性質(zhì)測定，使學生能夠進一步深入理解化合物的結(jié)構(gòu)與紫外可見吸收和氧化還原性質(zhì)之間的構(gòu)效關(guān)系，并能運用所學理論知識對原料二茂鐵和合成出的一系列二茂鐵衍生物表現(xiàn)出的光、電性質(zhì)之間的差異進行合理分析和解釋。合成出的最終產(chǎn)品乙炔二茂鐵還可以進一步作為開放實驗“Sonogashira交叉偶聯(lián)反應合成D-A型共軛化合物1-FcAq”的起始原料。通過這個實驗，不僅可培養(yǎng)學生扎實的合成功底，同時還可提升學生綜合運用所學知識進行實驗結(jié)果分析和解決實際問題的能力。

1.2.2 突出實驗的前沿性

科學的發(fā)展日新月異，化學學科同樣也在不斷進步和發(fā)展。因此，通過對綜合化學實驗內(nèi)容進行有針對性調(diào)整，使其能夠及時反映學科發(fā)展的前沿動態(tài)。如“天然脯氨酸的不對稱轉(zhuǎn)化及催化性能研究”“納米組裝血紅蛋白質(zhì)的直接電化學和催化研究”“主鏈型超分子液晶聚合物設(shè)計合成及其性質(zhì)表征”等實驗，反映了當前較為熱門前沿的小分子有機催化、電分析化學、超分子化學、液晶等領(lǐng)域。學生在“天然脯氨酸的不對稱轉(zhuǎn)化及催化性能研究”實驗中，可以了解手性和小分子有機催化等基本概念，學習結(jié)晶法誘導L-脯氨酸不對稱轉(zhuǎn)化原理和非天然D-脯氨酸的合成方法，以及不對稱Aldol反應機理，掌握對映體比旋光度測定方法；在“納米組裝血紅蛋白質(zhì)的直接電化學和催化研究”實驗中，可以讓學生了解納米材料的基本特點和電化學分析的基本方法，基于對血紅蛋白復雜分子結(jié)構(gòu)和特點的認知(電活性中心不易暴露、電子傳遞速率低)、以及碳納米管電化學傳感性質(zhì)的了解(高比表面積、高的生物相容性、高的電子轉(zhuǎn)移能力)，使學生了解組裝原理，掌握納米組裝血紅蛋白修飾電極的技術(shù)，并考察它們對過氧化氫的電催化作用；通過“主鏈型超分子液晶聚合物設(shè)計合成及其性質(zhì)表征”實驗，可以讓學生了解液晶和超分子的概念、特點及性質(zhì)，知曉液晶是在分子或超分子水平上集有序性和流動性于一體的某種熱力學穩(wěn)定相態(tài)，而利用氫鍵等次價鍵力組裝合成超分子液晶是發(fā)展新型功能材料、將合成材料與生物功能系統(tǒng)集成的一條有效途徑。該實驗從合成材料開始，綜合運用不同表征技術(shù)，尤其是差示掃描量熱分析和偏振光學顯微鏡觀察與數(shù)碼拍攝以及織構(gòu)分析，讓學生能夠從多角度對材料的結(jié)構(gòu)組裝與功能性質(zhì)有全面的認識與了解。通過這樣一些與科研前沿結(jié)合較為緊密的實驗，可以讓學生了解科研動態(tài)，掌握現(xiàn)代實驗技術(shù)和研究方法，實現(xiàn)教學-科研的無縫對接。

1.2.3 強化實驗的學科交叉和實際應用

針對學科不斷交叉融合的趨勢來設(shè)計綜合化學實驗，拓展學生的知識面，提升學生對交叉學科領(lǐng)域的認知。例如，結(jié)合化學與生物科學，開設(shè)了“DNA樣品的制備、結(jié)構(gòu)鑒定和性質(zhì)”實驗，該實驗分為3個層面：①進行DNA濃度的測定與結(jié)構(gòu)判斷；②利用紫外分光光度法對不同DNA結(jié)構(gòu)進行表征與電泳樣品的制備；③利用聚丙烯酰胺凝膠垂直或水平平板電泳法鑒定DNA折疊。為了強化DNA的前端知識結(jié)構(gòu)，還開設(shè)了“質(zhì)粒DNA的制備、鑒定、轉(zhuǎn)化及目標基因的誘導表達”實驗。該實驗包括采用堿裂解法進行質(zhì)粒DNA的提取、瓊脂糖凝膠的制備以及瓊脂糖凝膠電泳在DNA片斷分離中的應用、感受態(tài)細胞及其轉(zhuǎn)化、蛋白質(zhì)的誘導表達等。在這兩個實驗中，學生均能學習使用電泳儀、微量核酸蛋白測定儀、凝膠成像系統(tǒng)；而在后一個實驗中，學生可進一步學習使用恒溫培養(yǎng)箱、恒溫培養(yǎng)震蕩器、脫色搖床、高速離心機、干式培養(yǎng)器等儀器與設(shè)備，掌握細菌培養(yǎng)傳代的無菌操作實驗技能。開設(shè)實驗顯著拓展了學生的源頭知識背景并且提升了相應的實驗技能，培養(yǎng)和訓練了學生在跨學科交叉復合基礎(chǔ)上的跨界實踐能力。

此外，由于化學和人類的生活、環(huán)境密切相關(guān)，因此相應增加了一些貼近生活實際的實驗項目，如“聚氨酯的合成及其功能化”“天然高分子改性絮凝劑研究”等，增加學生就業(yè)創(chuàng)業(yè)的激情。以“天然高分子改性絮凝劑研究”為例，這一實驗來自于教師科研成果的轉(zhuǎn)化。高分子絮凝劑能促進膠體微粒及其他懸浮顆粒凝聚成無定形絮狀物沉降下來，因此對于水的凈化處理具有非常重要的作用，經(jīng)濟與社會效益十分顯著。該實驗以天然高分子材料殼聚糖為原料，利用殼聚糖中存在的氨基/羥基生成多功能基團，通過丙烯酰胺化學接枝改性，制備新型的天然高分子基絮凝劑材料，并使用動態(tài)光散射確定該類材料在溶液中的流體力學半徑及其分布，進一步采用折光指數(shù)增量法，確定接枝共聚物的接枝率，使學生能從結(jié)構(gòu)上理解絮凝效果的機制，建立起化合物結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的構(gòu)-效關(guān)系。通過實驗，可以讓學生真切地感受到化學在日常生活中發(fā)揮著許多實際的重要作用，有助于學生進一步了解化學、喜愛化學，激發(fā)學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的欲望，愿意將來從事化學研究來造福人類社會。

1.2.4 促進實驗的教研相長

教學為科研服務，科研反哺教學，教學和科研的這種和諧關(guān)系，有利于教研相長，共同提高。為了讓學生在實驗教學過程中體驗真實的科研氛圍，促進教學和科研的融合貫通，在綜合化學實驗教學過程中，通過研-教-研的途徑，即：實驗內(nèi)容源自于科研，在教學過程中模擬科研探索、實施研究型教學模式，融教學與科研為一體。例如，“天然高分子改性絮凝劑研究”實驗，它是基于教師的科研成果轉(zhuǎn)化而來的。實驗設(shè)計分為殼聚糖-聚丙烯酰胺接枝共聚物的制備、接枝率測定、絮凝性能評價、動態(tài)光散射粒徑分析4個部分。在實驗教學中，教師通過啟發(fā)誘導的方式，讓學生理解為什么天然高分子殼聚糖可以作為絮凝劑用于水的凈化處理，如何進行方案設(shè)計對其改性以增強其絮凝效果？高分子結(jié)構(gòu)和絮凝效果之間有怎樣的構(gòu)效關(guān)系？后期該如何進一步優(yōu)化實驗方案？通過這樣一個啟發(fā)式研究型教學過程，將科學思維和研究方法融入教學，使學生逐步具備獨立開展科研活動的能力。實驗教學中反饋的新現(xiàn)象和新問題反過來又促進了教師對該類材料的進一步改質(zhì)增效，同時也促進了教學實驗的進一步完善，形成教學-科研的良性循環(huán)。

1.2.5 發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢與潛能

結(jié)合“三三制”本科教學改革方案，為實現(xiàn)以學生為本的教學理念，開發(fā)了綜合化學實驗網(wǎng)上選課系統(tǒng)(http://zhxk.nju.edu.cn)，學生可根據(jù)自己的學習興趣與將來的人生發(fā)展規(guī)劃，自主選擇實驗內(nèi)容，可偏重于學術(shù)專業(yè)、或交叉復合、或就業(yè)創(chuàng)業(yè)，或兼而有之，以便在后期的學習中挖掘自己真正的興趣所在，提升學習的主觀能動性與學習效果。同時還建設(shè)了綜合化學實驗課程網(wǎng)站(http://www. icourses.cn/coursestatic/course_3787.html)，涵蓋技能點、知識點、學習手冊、教學課件、電子教材、教學錄像、文獻資料等，方便學生提前了解各個實驗的主要內(nèi)容和知識點，以便選課更有針對性；同時也方便學生網(wǎng)上自學和自行閱讀文獻，提高學生自主學習能力，拓展學生的知識面。通過選課系統(tǒng)，因材施教，實現(xiàn)了個性化培養(yǎng)，提高了教學質(zhì)量和教學效果。

2 建設(shè)成效

在綜合化學實驗教學實踐過程中，以教學內(nèi)容改革為抓手，通過提升實驗的綜合性、突出實驗的前沿性、強化實驗的學科交叉和實際應用、促進了課程的內(nèi)涵建設(shè)；通過研教相長，促進了實驗教學和科學研究的有機融合；通過利用和發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢，推動了教學方法、教學模式和教學管理方式的轉(zhuǎn)變，取得了良好的教學成效，學生的實踐能力、綜合素質(zhì)、創(chuàng)新意識和科研能力得到了顯著提升。2009年綜合化學實驗課程被評為“國家級精品課程”，2016年被授予首批“國家級精品資源共享課”稱號，2017年獲得南京大學“百層次”優(yōu)質(zhì)課程建設(shè)項目。

3 結(jié)語與展望

教學內(nèi)容是課程的靈魂，也是課程改革的核心和建設(shè)的關(guān)鍵所在[15-16]。在綜合化學實驗教學實踐過程中，根據(jù)學校提出的“三三制”本科教學改革方案，結(jié)合化學學科的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，按照“重視基礎(chǔ)、趨向前沿、反映現(xiàn)代、綜合交叉”的現(xiàn)代課程建設(shè)理念，著重強化了課程內(nèi)涵建設(shè)，并以此推動了教學模式和管理方式的轉(zhuǎn)變，教學成效顯著。綜合化學實驗課程作為一門學生綜合能力培養(yǎng)和提升的實踐課程，今后還必將隨著科學的發(fā)展不斷進行變革，致力于培養(yǎng)學生的綜合素質(zhì)、跨界能力、科研素養(yǎng)和創(chuàng)新精神，以適應社會發(fā)展的不同要求。